华为芯片专利曝光：技术创新引领行业潮流
2023-10-02 12:33:33 科技资讯 作者：陈二小
文章主要介绍的是华为芯片专利曝光：技术创新引领行业潮流相关内容！
要说硬件圈最大的一件事就是华为Mate60Pro突然开售，大家应该没意见吧？
在突然开售后，Mate60Pro也像一座金矿一样，被各路媒体老师不断挖掘。
之前托尼也蹭上了这台手机的热度，在拿到实机的第一时间跟大家分享了上手体验。（指路：上手华为Mate60Pro后，我更期待它的未来表现了。）
问题先生在业内还是很知名的，据说有20多年的半导体相关从业经验。
两个多月前，他发了一个，分析了华为刚刚解禁的一项半导体晶体管制备专利。
他根据专利的文字描述推测，华为打算在传统FinFET（鳍式场效应晶体管）的基础上挖两道凹槽，通过改良FinFET的结构，提升了晶体管漏电的控制能力。
进而降低了功耗，改善了性能。
问题先生预估：在同制程下，“华为FinFET”的能效比传统FinFET提升20%，可以把7nm工艺发挥出5nm的性能；5nm制程做成3nm的能效。
海外企业们大开大合，刚搞完5nm就想搞3nm。华为则是未雨绸缪，考虑着怎么能从上一代制程上挤出更多的水分。
而且7nm工艺的极限好像真的被华为这个专利探索出来了不少，真就是______。（跟我说出那四个字！）
但
。职业习惯让我多做了一步操作，我试着去搜了下问题先生提到的华为专利（编号：CN116266536A，感兴趣的小伙伴可以去看看），结果发现问题先生猜错了。
是这样的，问题先生之所以会猜错，是因为他只看到了专利前面部分的文字描述，然后根据专利的文字描述自己画了一张结构图。（这个操作，其实已经相当大佬了）
但这个自制的结构图和华为官方的专利配图差的还是有点儿远，所以才误解了华为设计两道凹槽的实际作用。
等到我们再去知识产权局的数据库里查资料的时候，华为已经把对应的专利配图给补上了。
通过看华为自己提供，我们才发现了这两道凹槽的真正作用。
简单来说，华为专利里提到的两道凹槽实际上是用来分别形成源极跟漏极的，这个源极跟漏极相当于开关的两端，当开关闭合时，电流会从源极入，从漏极出。
那么这个专利真正讲的东西是什么呢？
它讲的是华为研发出了一种晶体管制作的改良工艺，通过这个改良工艺，可以让制作高介电常数金属栅极（High-KMetalGate）的制作步骤减少。
这个高介电常数金属栅极技术是28nm制程节点后的必备技术，但以往的制作工艺复杂，导致它比发展更早、性能更差的多晶硅栅极(PolyGate)技术，要多出几个工艺步骤，这样会造成生产周期延长以及成本增加的问题。
在专利中，华为讲到，改良后的工艺可以节省至少3个主要工艺步骤，以及若干个次要工艺步骤。
从理论来说，这样可以降低整体的生产难度，提升不少良率，进而大幅降低成本，华为的初步预估是每片晶圆至少可以节省20美金。
按照之前Mate系列出货量以百万计的情况来看，假如华为真的要开始自己造芯片了，那么实装这项专利，就能给华为省下一笔相当可观的成本。
同行们想要借鉴还得给华为交专利费。
赢麻了
。_______！（再次说出那四个字~）
嗯
。不过，虽然节省成本的专利也很棒，可它并不是大家原本猜测的那样，把“7nm”当“5nm”耍的炸裂技术。
把实际情况和我们的心理预期做对比，就显得这个专利好像也并没有那么厉害了。
所以本来我们稍微有点儿心灰意冷，打算跟大家稍微解释一下这个小小的专利乌龙就结束了。
不过就在托尼找资料的过程中还发现，华为这次放出来的专利不是一个，而是一批！
其中另外一个编号CN116636017A的发明专利，看起来相当有意思。
不卖关子，在这项专利的文档中，华为直接把FinFET，和GAAFET或ForksheetFET，做进一个集成电路里。
并且简化了电路的制作步骤！
这里可能会有小伙伴要问了：这个突然冒出来的GAAFET和ForksheetFET又是啥呢？
无论是咱们前面讲到的FinFET，还是这个GAAFET和ForksheetFET（GAAFET的升级变种），它们都是晶体管的一种结构类型。
相比FinFET，GAAFET和ForksheetFET的漏电控制性能更强。
其中FinFET是目前芯片制造中的主流方案，而GAAFET和ForksheetFET还未实现量产，但是因为3nm之后的工艺更难控制FinFET的漏电，所以未来一定是属于GAA和Forksheet的。
诶不过
。既然GAAFET和ForksheetFET更先进，为啥华为还要把它们跟FinFET做进一个集成电路里呢？
全用GAAFET或者ForksheetFET不就得了？
emmmmm，是这样的。
一方面是因为FinFET跟GAAFET（包含变种：ForksheetFET）都有自己的优缺点。
像FinFET，它随着制程工艺的升级，尺寸的缩小，会出现漏电流控制性能变差的问题。
这给大家提一嘴漏电流是怎么回事：实际上，电流并不是百分之百从晶体管的源极流向漏极的，这期间有些不受控制的电子会溜掉，这样一来就会产生漏电，而漏的电流越多，会导致功耗和发热越严重。
而GAAFET/ForksheetFET，这类结构在尺寸缩小后，依旧可以保留出色的漏电流控制表现，所以很适合用在5nm制程节点之后的芯片上。
但GAAFET/ForksheetFET也有一个缺点，那就是它的电阻会比FinFET更大。
所以即使是3nm的集成电路里，也不能一味只用GAA或者Forksheet，也还是需要根据实际情况搭配FinFET进行设计。
一个简单的CMOS放大版集成电路版图
比如：芯片里的逻辑电路，它是负责运算的，在运算时电路中的晶体管们会进行频繁的开和关（其中“开”代表二进制中的“1”，“关”代表“0”，以此来处理数字信号），这样就对晶体管的漏电流表现有更高的要求。
同时为了算得更快，晶体管的数量自然也是越多越好。
所以，逻辑电路需要那种在尺寸缩小后，依旧可以有出色的漏电流控制表现的晶体管，那自然就是GAAFET或ForksheetFET了。
但是像需要处理连续信息的信号的模拟电路，以及有高电压需求的输入输出电路，它们需要电阻更小的通道，自然就是用FinFET更合适。
看到这大家应该就明白了，华为的做法相当于：我在一个集成电路中，根据需求来设计FinFET和GAAFET或ForksheetFET，比如输入输出电路、模拟信号处理电路用FinFET，逻辑电路用GAAFET或ForksheetFET，存储电路可以任意选择一种。
这样一来，就可以最大程度地发挥不同晶体管结构的性能。
不过，要做到这件事儿并不容易。
因为在现有的技术条件下，我们要在一个集成电路里制作FinFET和GAAFET/ForksheetFET，需要分别单独制作它们各自沟道区内的半导体层，比如：先做好了FinFET，再去做GAAFET。
这步骤一分开，制作过程就变得非常繁琐，生产成本也会随之升高。
这里就要讲到华为这项专利的精髓部分了，他们为了减少制作步骤，在开始制造前的版图阶段会先对芯片的图案层（小知识：芯片是通过一层一层的图案层往上叠加制作而成的）进行标记，比如第一半导体层、第二半导体层、第三半导体层、第四半导体层。
说实话，托尼一开始也有点搞不明白这个“第一第二
。”到底在讲啥，直到把28页的文档“啃”下来后，才大概理解了其中的奥妙。
这个第一、第二
。不是用来表示先后和重要性，而是为了标记不同的图案层，打个不太恰当的比方：FinFET的第一半导体层对应了GAAFET的第三半导体层。
不严谨地说，这么一对应，就能让它们被同时制作。
利用这个方法，华为就可以不用像前面讲的那样——“先做这个再做那个”，这样就大幅简化了电路的制作过程，减少工期和成本。
妙啊~如果这项专利在未来可以落地，那么对于华为的芯片竞争是很有利的——当然了，只是假如、假如华为真的想自己做芯片的话。
毕竟专利本身只是个技术储备，大家不要听风就是雨，要理智判断。
而且虽然咱们短短几句话就讲完了华为的巧思，但实际操作起来还是困难重重的。
因为GAAFET、ForksheetFET的结构又小又复杂，不仅对蚀刻工艺的要求非常高，而且还要用到EUV光刻机，这个东西现阶段国内很难搞定
而且托尼还问了一下搞半导体设计的朋友，发现除了咱们前面提的这些内部的光刻问题，外部的电压调控也是需要攻克的。
毕竟两种晶体管结构的特性不同，驱动电压也不同，驱动电路的设计也需要做额外的调整。
看来，华为的这项专利想要真正落地，需要克服很多我们难以想象的困难。
我们聊的这些东西，都是华为公开的设计专利，虽然看着很厉害，但很大概率还没有应用到实际的生产步骤上。
因为光有想法不行，还是有很多具体的、配套设备上的问题需要解决的。
不过我发现了一个小细节，不知道有没有小伙伴观察到。
虽然华为这批专利上个月才解禁，但他们真正的提交日期是——2021年2月！
换句话说，两年前，华为就在思考该怎么把芯片造的更好了。
遥遥领先！！！
